Б.Малашевич, Б.Симонов

Отечественные базовые матричные кристаллы

При создании различной радиоэлектронной аппаратуры, особенно не массового назначения, часто требуется реализовать задумку разработчика в виде интегральной схемы. Создавать при этом заказную БИС со всех точек зрения нецелесообразно: это и долго, и дорого, и в производстве неэффективно. Для решения таких задач потребителю предлагается технология создания полузаказных БИС на основе стандартных заготовок - базовых матричных кристаллов.

Полузаказные интегральные схемы на основе базовых матричных кристаллов (БМК) для разработчиков и производителей сложной электронной аппаратуры являются незаменимой палочкой-выручалочкой в многочисленных случаях:

• когда требуется быстро разработать и начать производство изделия;
• когда объем производства изделия относительно невысок, а подходящих среди выпускаемых БИС нет;
• при создании специфичной аппаратуры с оригинальными техническими решениями;
• при переработке ранее созданной аппаратуры на новую элементную базу;
• при желании заказчика самостоятельно разработать БИС с целью, например, скрыть своё "know-how".

Во всех этих и многих подобных случаях возникают противоречивые требования: обеспечение высокой степени интеграции БИС с быстротой создания и относительно низкими объемами производства, экономически нерентабельными для разработки заказных БИС. (Под заказной понимается микросхема, проектирование и производство которой производится по индивидуальному полному технологическому циклу, направленному на создание именно этой БИС. К заказным относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, периферийные и масса других БИС, поставляемых как стандартные изделия.)

Наиболее эффективно это противоречие решается применением полузаказных БИС на основе БМК. В этом случае процесс проектирования и изготовления БИС расчленяется на две части, причем по заказу выполняется только вторая, более простая часть (поэтому они и называются полузаказными):

• Разработка и изготовления БМК, то есть стандартной заготовки, из которой впоследствии можно сделать разнообразные микросхемы. В каждом БМК имеется определенный набор не скоммутированных ячеек. Изготовление таких БМК производится по стандартной технологии массового производства БИС. На основе БМК изготавливаются тестовые микросхемы, которые подвергаются всем видам аттестационных испытаний. На БМК выпускаются групповые технические условия (ТУ). Таким образом, все наиболее дорогостоящие и длительные процедуры проектирования, производства и аттестации БИС выполняются на этапе создания БМК.
• Для создания полузаказной БИС выбирается соответствующий БМК. Проектирование заключается в разработке топологии 1 -2 верхних слоев металлизации кристалла (определяется электрической схемой устройства и по назначению эквивалентна топологии печатной платы), а производство — в нанесении этих слоев на ранее изготовленные типовые заготовки. Карта заказа, по которой производится разработка и изготовление полузаказной БИС, одновременно является и приложением к групповым ТУ, аттестационных испытаний проводить не требуется. Однако, по желанию заказчика могут быть проведены испытания БИС по его собственным требованиям.

Таким образом, БМК сочетают в себе гибкость в проектировании аппаратуры на основе ИС стандартной логики низкой и средней интеграции. При этом значительно сокращаются сроки и затраты на создание новой БИС. Незначительное увеличение стоимости в производстве полузаказной БИС, по сравнению с аналогичной по сложности заказной, обманчиво. Заказная БИС при объемах производства, соответствующих объемам производства полузаказных, на самом деле будет намного дороже: заказные БИС дешевы благодаря их массовому производству.

Базовые матричные кристаллы

На рынке интегральных схем представлен ряд БМК ОАО "Ангстрем", более доступных отечественному потребителю и по цене, и по возможности оперативного взаимодействия с производителем (по сравнению с ИС зарубежных изготовителей) и защищенных от капризов международной политической конъюнктуры. Краткие характеристики этих БМК приведены в табл. 1 и 3.

Таблица 1. Краткие характеристики БМК

* радиационностойкие

Таблица 2. Поддерживаемые ПЛИС

Полузаказные БИС на основе БМК всех типов по заказу могут поставляться и в бескорпусном исполнении.

Задача создания полузаказной БИС на основе БМК заключается в разработке и верификации топологии верхних слоев металлизации кристалла, соединяющей библиотечные ячейки БМК в соответствии с электрической схемой заказчика. Причем заказчик имеет возможность выбора степени своего участия в разработке: от формирования только технического задания на создание БИС до полностью самостоятельной её разработки.

Рисунок 1. Типовой маршрут проектирования

Возможно несколько вариантов разработки полузаказной БИС:

• на основе библиотеки стандартных элементов БМК. Заказчик самостоятельно проектирует схему И С в базисе библиотеки, получив от ОАО "Ангстрем" всю необходимую информацию;
• на основе поведенческого проекта. Заказчик самостоятельно разрабатывает проект на поведенческом уровне в языках VHDL и VerilogHDL ОАО "Ангстрем" переводит этот проект в базис библиотеки БМК;
• на основе проекта, выполненного на ПЛИС типов XILINX, ACTEL и ALTERA. ОАО "Ангстрем" производит автоматизированный перевод проектов в базис библиотеки БМК;
• на основе электрической схемы, выполненной в любой библиотеке элементов. ОАО "Ангстрем" производит автоматизированный перевод проектов в базис библиотеки БМК;
• на основе технического задания. Заказчик формулирует техническое задание на полузаказную ИС. ОАО "Ангстрем" производит её проектирование в базисе библиотеки БМК.

В зависимости от типа БМК на полный цикл "карта заказа - поставка первой партии" требуется от полутора до трех месяцев.

Производители электронной аппаратуры, построенной с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) имеют возможность их замены на полузаказные БИС на основе БМК, получив при этом, в ряде случаев, заметный экономический эффект и увеличив плотность компоновки аппаратуры. Для обеспечения такой переработки ОАО "Ангстрем" разработал пакет программ, позволяющий производить автоматизированный перевод проектов, выполненных на указанных ниже ПЛИС в базис библиотеки БМК.

Практика перевода полузаказных БИС, например, с ПЛИС Altera MAX700 или Xilinx XCS10 на БМК серии 1537 показывает, что статические параметры (входные и выходные токи, токи статического и динамического потребления) при переводе на БМК снижаются, примерно, на порядок. А стоимость БИС, реализованных на БМК ОАО "Ангстрем", примерно вдвое ниже стоимости реализации на основе указанных ПЛИС.

Большинство из перечисленных выше БМК известно многим потребителям, на их основе создано большое число полузаказных БИС ("прошивок"). Малоизвестным является семейство новых БМК — 1592ХМхх.

1592ХМХХ - семейство БМК на 10-100 тыс. вентилей

Семейство базовых матричных кристаллов — 1592ХМхх построение на основе одной микроэлектронной технологии и единой библиотеке элементов.

Оно предназначено для автоматизированного проектирования полузаказных интегральных схем разной сложности с рабочей частотой до 50 МГц.

1592ХМхх выполнены по принципу "море вентилей" и содержат 10, 30, 60 или 100 тысяч четырехтранзисторных не скоммутированных ячеек, предназначенных для построения функциональных узлов ИС. По периферии кристалла на фиксированных местах расположены контактные площадки для подключения элементов ввода/вывода и питания. Краткие характеристики БМК семейства приведены в табл. 3.

Таблица 3. Краткие характеристики БМК семейства 1592ХМхх

Общие характеристики семейства 1592ХМхх:

• Количество ячеек — 10 000- 100 000.
• Библиотека, стандартных элементов:

  ядро — более 170;

  ввод/вывод — более 60.

• Слоев металлической разводки — 2.
• Тактовая частота — до 50 МГц.
• Напряжение питания — 4,5 ... 5,5 В.
• Максимальный ток в статическом режиме — до 1,0 мА.
• Ток нагрузки выходных элементов — до 10 мА.
• Мощность рассеивания в корпусе 4229.132-3-до 3,0 Вт.
• Корпус по таблице 3 или по заказу.
• Рабочая температура — -60 ... +85°С.

1592ХМхх используются для быстрого построения полузаказных ИС изделий специального и общего назначения, заменяя большое количество ИС низкой и средней степени интеграции в самой разнообразной электронной аппаратуре.

Для автоматизированного проектирования полузаказных ИС используется библиотека стандартных элементов 1592ХМх и встраиваемые модули ОЗУ, ПЗУ и FIFO.

Библиотека стандартных элементов

Библиотека стандартных элементов состоит из двух разделов:

• библиотеки ядра (более 170 стандартных элементов);
• библиотеки ввода/вывода (более 60 стандартных элементов).

Библиотека постоянно развивается, при необходимости разрабатываются дополнительные элементы.

Все библиотечные элементы аттестованы с применением программы SPICE на транзисторном уровне. Достоверность результатов подтверждена измерениями тестовых кристаллов.

Библиотека ядра

Библиотека ядра содержит следующие группы стандартных элементов различной мощности:

• комбинационная логика;
• элементы с третьим состоянием;
• усилители тактового сигнала;
• триггеры-защелки, D-триггеры, JK-триггеры;
• фрагменты сумматора, сумматора-вычитателя, синхронного счетчика;
• дешифраторы;
• мультиплексоры...

Типовое время задержки библиотечных элементов ядра иллюстрируется рис 2.

Рисунок 2. Среднее время задержки элементов ядра

Библиотека ввода/вывода

Библиотека ввода/вывода содержит следующие группы стандартных элементов различной мощности:

• КМОП и ТТЛ входы/выходы с тремя состояниями;
• КМОП и ТТЛ входы/выходы, повторители шины;
• КМОП и ТТЛ выходы;
• КМОП и ТТЛ выходы с тремя состояниями;
• КМОП и ТТЛ выходы с тремя состояниями, повторители шины;
• инвертирующие и не инвертирующие КМОП и ТТЛ входы с повторителем шины и подтяжкой к высокому состоянию;
• входы с триггером Шмитта;
• буферы тактового сигнала;
• ячейки кварцевых резонаторов...

Типовое время задержки библиотечных элементов ввода/вывода иллюстрируется рис. 3.

Рисунок 3. Среднее время задержки элементов ввода/вывода

В элементах библиотеки применены специальные средства повышения динамической помехоустойчивости. С этой целью питание ИС может подаваться по трем парам (питание — общий) независимых шин:

• шина питания ядра кристалла;
• шина питания элементов ввода/вывода в динамическом режиме (в момент переключения);
• шина питания элементов ввода/вывода в статическом режиме.

Встраиваемые модули

Для расширения функциональных возможностей и области применения схем на основе библиотеки 1592ХМхх имеются подсистемы автоматической компиляции блоков ОЗУ, ПЗУ и FIFO. Блоки ОЗУ, ПЗУ и FIFO создаются из базовых транзисторов ячеек ядра и могут располагаться в любом месте кристалла.

Компиляторы ОЗУ и ПЗУ

Емкость блока может быть любой в пределах, указанных на графиках. При максимальной емкости каждый из блоков ОЗУ (256x16 или 128x32 бит) или ПЗУ (512x32 бит) занимает около 12% площади ядра кристалла 1592ХМ1. Для увеличения количества слов или (и) разрядности можно использовать несколько блоков. Создание всех необходимых представлений блоков в базе данных проекта производится автоматически. Пользователю необходимо заполнить простую форму, указав необходимые ему параметры блока.

Компилятор FIFO

Емкость блока FIFO может быть:

• длина слова — 4 ... 36 бит,
• слов в блоке — 13, 32 или 64.

Блок FIFO максимальной емкости (64x36 бит) занимает около 12% площади ядра кристалла 1592ХМ1. Для увеличения емкости FIFO (как по количеству разрядов, так и по количеству слов) можно использовать до 8 блоков по 32 или 64 слова. Создание всех необходимых представлений блоков в базе данных проекта производится автоматически. Пользователю необходимо заполнить простую форму, указав необходимые ему параметры FIFO.

Эксплуатационные режимы

Полузаказные БИС, изготовленные на основе БМК 1592ХМ1, рекомендуется применять в режимах, описанных в табл. 4.

Таблица 4. Эксплуатационные режимы

Конструкция

Полузаказные БИС 1592ХМхх выполнены по базовой КМОП-техноло-гии с поликремниевыми затворами.

Кристалл БМК содержит до 100 000 вентилей ядра и до 216 ячеек и контактных площадок ввода/вывода. Всего на кристалле 1592ХМ1 232 контактных площадки, 32 из них для шин питания.

Разводка электрических связей проектируемой полузаказной БИС (трассировка) выполняется двумя слоями металлизации.

В настоящее время БИС выпускаются в металлокерамических корпусах с планарными выводами, указанных в табл. 3. По заказу БИС могут быть изготовлены в ином исполнении.